功率MOSFET雪崩擊穿問題分析

摘要：分析了功率MOSFET雪崩擊穿的原因，以及MOSFET故障時能量耗散與器件溫升的關(guān)系。和傳統(tǒng)的雙極性晶體管相比，反向偏置時MOSFET雪崩擊穿過程不存在“熱點”的作用，而電氣量變化卻十分復(fù)雜。寄生器件在MOSFET的雪崩擊穿中起著決定性的作用，寄生晶體管的激活導(dǎo)通是其雪崩擊穿的主要原因。在MOSFET發(fā)生雪崩擊穿時，器件內(nèi)部能量的耗散會使器件溫度急劇升高。

關(guān)鍵詞：雙極性晶體管；功率MOSFET；雪崩擊穿；寄生晶體管；能量耗散

1 引言

功率MOSFET在電力電子設(shè)備中應(yīng)用十分廣泛，因其故障而引起的電子設(shè)備損壞也比較常見。分析研究功率MOSFET故障的原因、后果，對于MOSFET的進一步推廣應(yīng)用具有重要意義。

在正向偏置工作時，由于功率MOSFET是多數(shù)載流子導(dǎo)電，通常被看成是不存在二次擊穿的器件。但事實上，當功率MOSFET反向偏置時，受電氣量變化（如漏源極電壓、電流變化）的作用，功率MOSFET內(nèi)部載流子容易發(fā)生雪崩式倍增，因而發(fā)生雪崩擊穿現(xiàn)象。與雙極性晶體管的二次擊穿不同，MOSFET的雪崩擊穿常在高壓、大電流時發(fā)生，不存在局部熱點的作用；其安全工作范圍也不受脈沖寬度的影響。

目前，功率器件的故障研究已經(jīng)從單純的物理結(jié)構(gòu)分析過渡到了器件建模理論仿真模擬層面。因此，本文將從理論上推導(dǎo)MOSFET故障時漏極電流的構(gòu)成，并從微觀電子角度對MOSFET雪崩擊穿現(xiàn)象作詳細分析。同時，還將對故障時器件的能量、溫度變化關(guān)系作一定的分析。

2 功率MOSFET雪崩擊穿理論分析

圖1(a)為MOSFET的體內(nèi)等效電路，其中含有一個寄生的雙極性晶體管V₂，它的集電極、發(fā)射極同時也是MOSFET的漏極和源極。當MOSFET漏極存在大電流I_d，高電壓V_d時，器件內(nèi)電離作用加劇，出現(xiàn)大量的空穴電流，經(jīng)R_b流入源極，導(dǎo)致寄生三極管基極電勢V_b升高，出現(xiàn)所謂的“快回(Snap-back)”現(xiàn)象，即在V_b升高到一定程度時，寄生三極管V₂導(dǎo)通，集電極（即漏極）電壓快速返回達到晶體管基極開路時的擊穿電壓（增益很高的晶體管中該值相對較低），從而發(fā)生雪崩擊穿，如圖2所示。

(a) 體內(nèi)等效電路

(b) 外部分析電路

圖1 MOSFET等效電路

圖2 雪崩擊穿時I－V曲線

下面利用圖1的等效電路來分析MOSFET的雪崩擊穿。

假設(shè)三極管V_b≈0.6V，V_b=I_bR_b，則可得MOSFET源極電流

I_s=I_do＋γV_b=I_do＋γR_bI_b（1）

式中：I_do為漏極電壓較低時的飽和漏極電流；

γ為大信號體偏置系數(shù)（Large Signal Body-bias Coefficient），定義為

γ=ΔI_d/ΔV_b（2）

當V_b很高時，漏極的強電場引起電子溝道電流的雪崩式倍增，產(chǎn)生的空穴向基極流動。

如果增益為M，則基極電流為

I_b=I_d－I_s=MI_s－I_s=(M－1)(I_do＋γR_bI_b)(3)

可得

I_b=(4a)

I_s=(4b)

I_d=(4c)

當發(fā)生擊穿時，有

I_bR_b≈0.6V(5)

由式(4)及式(5)可得擊穿時的關(guān)系式（下標SB為雪崩擊穿標志）為

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